微地震监测技术在阳201－H2井压裂中的应用

邱 健 段树法

（1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.壳牌中国勘探与生产有限公司）

微地震监测技术在阳201－H2井压裂中的应用

邱 健1段树法2

（1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.壳牌中国勘探与生产有限公司）

在对四川盆地阳201－H2井进行水力压裂时，首次在中国运用了深井和浅井联合观测技术进行微地震监测，并获得了成功。通过对阳201－H2井的微地震监测，准确地刻画出了压裂诱导裂缝的位置、方位、大小（长度、宽度和高度）。微地震监测技术把地球物理信息应用到非常规油气藏开发，拓宽了地球物理在油气田开发中的应用。图10表1参5

微地震 监测 裂缝 储层 页岩气 水平井 压裂

阳201－H2井是一口水平井，在压裂过程中首次运用了深井和浅井联合观测技术进行微地震监测，并获得了成功。实践证明在浅井中也能进行微地震的监测，这为今后在无深井的情况下开展此项工作提供了参照模式。

1 微地震监测技术

1.1 技术简介

微地震监测技术就是通过观测、分析压裂活动中所产生的微小地震事件来监测压裂活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。与地震勘探相反，微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的，确定这些因素又恰恰是微地震监测的首要任务。这项技术相当于为分段压裂作业施工配上一副透视眼睛，是油气层压裂生产过程中直观而又可靠的技术。

微地震监测的基本做法是通过在井中或地面布置检波器排列接收压裂活动所产生或诱导的微小地震事件，并通过这些事件的反演求取微地震震源位置等参数，最后通过这些参数对压裂活动进行实时监控和指导（图1）。微地震监测主要包括数据采集、震源成像和精细反演等3个关键步骤。

1.2 微地震监测机理

压裂时岩石破裂会伴随产生强度较弱的地震波，称为“微地震”。微地震事件发生在裂隙之类的断面上，裂隙范围通常只有1～10 m。地层内地应力呈各向异性分布，剪切应力自然聚集在断面上，通常情况下这些断面是稳定的。然而，当原来的应力受到生产活动干扰时，岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围就会出现应力集中，应变能量高；当外力增加到一定程度时，原来裂缝的缺陷地区就会发生微观屈服或变形、裂缝扩展，从而使应力松弛，储藏能量的一部分以弹性波（声波）的形式释放出来产生小的地震，即所谓微地震。其实质是岩石周围应力／应变、变形、开裂、失稳／破坏等一系列动态演变过程的一种表现形式。大多数微地震事件频率范围介于50～1500 Hz之间，持续时间小于1 s，通常能量介于里氏－3到＋1级。在地震记录上微地震事件一般表现为清晰的脉冲，越弱的地震事件，其频率越高，持续时间越短；能量越小，破坏的长度就越短。因此，微地震事件很容易受其周围噪声的影响或遮蔽。另一方面在传播中由于岩石介质吸收以及不同的地质环境，也会使能量受到影响。

2 微地震监测在水力压裂中的应用

2.1 阳201－H2井基本情况

阳201－H2井位于阳高寺—九奎山构造带北段西翼，与高产气井阳101井同井场，设计井深4600 m，设计水平段1025 m，目的层是志留系龙马溪组。其钻探目的是了解水平井在本区页岩气开发中的增产效果，收集生产数据（如初始产量、产量随时间的递减规律等），估算气井的最终采收率，以评价本区块页岩气的商业价值。

该井于2011年8月20日开钻，2012年2月7日完钻，完钻井深4568.18 m，实际垂深3403.53 m，实钻水平段925 m。本井在直井段钻井非常顺利，但钻水平段时，由于实际地层倾角（35°）比预测（14°）要大，造成二次侧钻，最后确定沿等高线钻阳201－H2－ST3方获成功。

页岩气藏具有低孔、低渗透率物性特征，使得开发过程中需要进行大规模水力压裂，扩大裂缝网络，这是获得工业气流的关键。阳201－H2井在水平井段采用分段压裂能有效产生裂缝网络，极大地延伸页岩气在横向和纵向上的开采范围，尽可能地提高最终采收率。

2.2 阳201－H2井多级水力压裂

水力压裂就是利用地面压裂车组将一定黏度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度，所以多余的液体会在井底憋起高压，当压力超过岩石抗张强度后，地层就会破裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后，继续注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝，即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗透能力，并且扩大了油气水的渗滤面积，油气可畅通流入井，注入水可沿裂缝顺利流入地层，从而达到增产增注的目的。

根据测井及岩心数据解释结果，阳201－H2井压裂作业分9段进行（表1），正式压裂之前进行了地破测试压裂（DFIT）作业。通过地破测试作业，取得了该地区页岩储层重要的地层特性参数，对地层认识更全面，对修正各井的主压裂设计起到了科学指导。

2012年5月8日开始压裂第1段，至5月18日结束，注入压裂液总量11945 m3，总砂量1488 t，最终获气43×104m3／d。阳101井、阳201－H2井及区内其它获气井证实了页岩气藏在区内广泛分布，并可通过压裂技术将页岩气大规模采出，展示了区内页岩气良好的勘探前景。

表1 阳201－H2压裂层段设计表

阳201－H2井实施压裂改造后，可通过微地震监测来评价压裂作业效果，获取压裂诱导裂缝的位置、方位、大小（长度、宽度和高度）及复杂程度等各种信息，并据此优化页岩气藏多级分段压裂的方案。

2.3 阳201－H2井微地震监测

川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司联合ApexHiPoint公司历时11天完成阳201－H2井的微地震采集。

（1）微地震监测的设计

阳201－H2井微地震监测采用1口深井（阳101）、3口浅井（A、B、C，井深300 m）的观测方式，3口浅井呈三角形分布（图2）。A、B 2口浅井距阳201－H2井水平段200～300 m，阳101距第9段压裂末端300 m，这样的设计足以保证对阳201－H2井925 m水平段的压裂监测。深、浅观测井同时监测以确保诱发裂缝事件定位的准确性，这种观测方式目前在国内还是首次。

图2 微地震监测观测井位置示意图

（2）微地震监测现场采集

现场数据采集是微地震监测的基础，它对硬件设备较高，要求采用能同时记录纵波、横波、转换波的三分量检波器。由于微地震的特性所致，也必须采用高采样宽频带、连续记录、宽动态范围，进行微地震信号

的采集。

阳201－H2井微地震监测设计采用100级三分量检波器接收，其中阳101采用40级，3口浅井分别采用20级（实际观测时由于井底垮塌只采用了19级）。级间距15 m，采用软连接的方式，采样率0.5 ms，记录长度10 s。阳101深井观测检波器沉放位置经过射孔爆炸震源正演后，确定在1800～2385 m处，检波器放置位置处于一坚硬的岩石机制当中能够合理避开地表低降速带对于微地震信号的衰减，同时与压裂段目标区域距离也在1000 m左右，能够有效地减小压裂噪音对于信号接收的不利因素。浅井检波器沉放深度0～185 m。

阳201－H2井微地震采用连续监测的方式，从第1段压裂前24小时开始第9段压裂结束止，历时11天。

（3）微地震监测结果

深井监测获得的资料纵横波信号清晰、初至起跳有力，具有很高的信噪比；浅井监测资料则根据分布区域不同，呈现不同的质量品质。A、B、C三口浅井，B井在监测过程中都存在来自地下100 m左右的不明噪声的影响，信噪比较低，难以进行微地震事件的识别；A、C井获得的资料都具有较高的信噪比，其中以C井资料质量为最优。浅井上部检波器由于来自地面的机械噪音影响，所得资料信噪比都较低（图3）。

图3 原始微地震监测记录

所有的压裂段监测数据都有大量来自于压裂泵车的噪音污染，这是因为观测井和压裂井位于同一个井场内，压裂产生了非常强的下行波。

微地震监测资料处理采用Kirchhoff地震波场衍射处理新技术，取代常规的P－S波时差地震定位方法，这种成像方法能够更好地利用浅井观测资料。通过对微地震监测资料的处理和分析，得到下面结论和认识：

（1）3口浅井和1口深井成功地观测到2057个微地震事件（图4），其中3口浅井观测到600个微地震事件（图5）。但多数微地震事件都发生在低压裂速率和低压力的压裂阶段或者是说在停泵后（图6），初步解释为当压裂液注入地层，把地层压开后，在支撑剂的作用下，与天然裂缝有连通，此时，微地震事件最为丰富。

图4 浅井和深井共观测到的2057个微地震事件

图5 3口浅井观测到的600个微地震事件

图6 压裂施工曲线与微地震事件分布图

（2）微地震响应表现出较强的阶段变化，每段均不一样，微地震事件分布形态不规则且延伸至几个级数，预示地下可能存在天然裂缝或固井质量不好（图7），这与在北美进行的微地震监测结果呈有规律的线性变化有很大的不同（图8）。

（3）从微地震事件分布可明显观察到压裂阻隔层，底压裂阻隔层（宝塔顶）可明确地通过岩性差异及岩石力学性质来判定，顶压裂阻隔层仍有待进一步确定；根据测井GR值，将志留系划分为Zone 1～Zone 4层段，微地震事件平面上各段相互有重叠，垂向上多数（70%）发生在宝塔和Zone 4之间130～170 m的范围内（图9），Zone 1～Zone 4之间没有压裂阻隔层，水平井井轨迹可以设计在Zone 1～Zone 4的范围内。

图7 微地震事件的分布

图8 北美微地震监测实例

图9 微地震监测观测到的压裂阻隔层

（4）通过计算，最大主应力和最小主应力的差值非常小（2%，接近误差水平），与测井预测的基本一致，证明该区域水平井的走向设计可以更为灵活。

（5）压裂诱导裂缝网络的长度约为1300 m、宽度约为550 m、高度约为170 m，1～9段的M－SRV分别为1.6、7.4、5.8、17.1、14.9、10.9、13.3、13.0、4.5 MMm3，各段M－SRV有50%的重叠，9段压裂累积的M－SRV为88.4 MMm3（图10），这为EUR（单井预期最终产气量）的计算提供了基础资料。

图10 压裂裂缝网络形态

3 结论和认识

（1）微地震监测把地球物理信息应用到非常规油气藏开发，拓宽了地球物理在油气田开发中的应用领域。应用微地震监测技术进行水力压裂监测已在阳201－H2井的生产活动中取得了良好的效果，其应用前景广阔。

（2）阳201－H2井首次在国内运用深井和浅井联合观测技术进行微地震的监测，并获得成功。实践证明用浅井也能进行微地震的监测，这为今后在无深井的情况下开展此项工作提供了方便。

（3）通过阳201－H2井的微地震监测，准确地刻画出了压裂诱导裂缝的位置、大小（长度、宽度和高度），为EUR的计算提供了依据。

（4）阳201－H2井的微地震监测结果显示总的有50%的微地震事件重叠，预示地下存在天然裂缝，也证实了该区裂缝网络特征的复杂性。

（5）该区域地质条件有利于“微地震”波的传播，故龙马溪组地层压裂活动中所产生的“微地震”波形易于分析，因此在本区龙马溪组地层压裂活动中非常适合做微地震监测。

1 王治中，邓全根，赵振峰，等.井下微地震裂缝监测设计及压裂效果评价［J］.大庆石油地质与开发，2006，（6）.

2 付永强，马发明，曾立新，等。页岩气藏储层压裂实验评价关键技术［J］.天然气工业，2011，31（4）.

3 刘建中，王春耕，刘继民，等.用微地震法监测油气生产动

态［J］.石油勘探与开发，2004，（2）.

4 刘百红，秦绪英，郑四连，等.微地震监测技术及其在油田中的应用现状［J］.勘探地球物理进展，2005，（5）.

5 金亮，周明，欧阳，等.阳201－H2井压裂设计［R］.成都：中石油与壳牌四川天然气联合项目PT组，2012.

（修改回稿日期 2013－07－29 编辑 陈玲）

图9 双家坝地区鲕滩储层预测分布图

4 结论

（1）老井复查结合测井、地震资料，以双家坝区块及邻区内七里8井、七里22井、七里25等为标准井，重新确定了区内飞仙关组和长兴组的分层界线，精细刻画了台缘和海槽的边界。

（2）应用三维地震波形分类技术，精细刻画和修正了双家坝三维区块的沉积相—地震相，认为有利的台缘相带是处于双家坝以北（七里8井—七里22井之间）区块。

（3）在双家坝区块开展鲕滩储层预测，飞仙关鲕滩储层预测异常分布总面积：145.1 km2。表明了双家坝区块具有良好的勘探潜力。

参考文献

1 王一刚，刘划一.川东北飞仙关组鲕滩储层分布规律、勘探方法与远景预测［J］.天然气工业，2002，22（S1）：14－19.

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3 刘微，曾云贤，杨雨.飞仙关组鲕滩储层常规地震相识别技术探索［J］西南石油大学学报，第2007，29（1）：30－33.

4 刘璐，刘微，魏小薇，等.川东北铁山东部地区飞仙关组鲕滩储层特征及控制因素［J］。地质勘探，2010，30（增刊A）：63－64.

（修改回稿日期 2013－08－16 编辑 王晓清）

邱健，男，1966年出生，2008年毕业于西南石油大学物探专业，中国石油西南油气田公司勘探开发研究院地球物理所，高级工程师；长期从事地震资料的处理、解释及综合研究工作。地址：（610041）四川省成都市高新区天府大道北段12号中国石油科技大厦。电话：（028）65305676。E－mail：qiujian＠petrochina.com.cn